規則性マクロポーラス酸化物担体を用いた固体高分子形燃料電池の高耐久・高性能化

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研究初年度である2022年度は，高活性かつ高耐久性を有する次世代型の固体高分子形燃料電池（PEFC）用電極触媒の開発に向けて，火炎法を用いた酸化物触媒担体の（1）高比表面積化と（2）マクロポーラス化の検討を行った。（1）酸化物触媒担体の高比表面積化：酸化物ナノ粒子をPEFC用触媒担体に使用するためには，ネットワーク構造を維持しながら高比表面積を有することが求められる。本研究では，燃焼条件（燃料種，酸化剤割合，発熱量など）を調整することにより，酸化物ナノ粒子の凝集度と比表面積の制御を行った。火炎合成における燃焼エンタルピー密度を4.87 kJ/g-gasとすることにより，ネットワーク構造を有しつつ高比表面積を有する酸化物ナノ粒子が得られた。また，得られた酸化物ナノ粒子を触媒担体に用いて，単セルにより発電性能評価を実施し，既存のカーボンとの比較を実施した。発電性能はカーボンに及ばないものの，酸化物への触媒担持量を調整することで活性を示すことを明らかにした。（2）酸化物触媒担体のマクロポーラス化：市販のTiO2ナノ粒子をモデル材料として，火炎法を用いたマクロポーラス粒子の合成を試みた。造孔剤にはポリメタクリル酸メチル（PMMA; 400 nm）を使用した。また，PMMAの急速な反応を防ぎ，十分な自己組織化を誘発するために，火炎の発熱量を減少させて合成実験を行った。また独自に開発した火炎合成プロセスにより，火炎と粒子との直接接触を防いだ。PMMA濃度，粒子捕集位置，火炎内滞留時間を調整することで，粒子内に規則的にマクロ孔を有するマクロポーラスTiO2粒子が得られた。マクロポーラス粒子を構成するTiO2ナノ粒子は焼結しており，強固な骨格を形成していた。